應變控制方式下ZG270-500材料特性試驗研究

張慶玲，張榮強，金 淼

(燕山大學 先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著對材料性能研究的深入，在工程領域，人們不僅關心結構承載能力和使用安全等問題，而且對金屬材料的本構研究也從原來的彈性范圍和單調加載擴展到對循環(huán)載荷作用下彈塑性能的關注。但當前對循環(huán)載荷作用下的本構研究多集中于不銹鋼、鎂合金、鋁合金、普通結構鋼等金屬材料，而對于工程領域廣泛采用的鑄鋼的循環(huán)塑性本構研究卻甚少。金屬材料的應變循環(huán)特性是循環(huán)塑性變形的重要現(xiàn)象，同時也是循環(huán)塑性本構研究必須加以考慮的因素。

目前，國內外許多學者已經(jīng)對循環(huán)載荷作用下材料的變形行為進行了大量的研究。萬明珍和張再強等[1]對熱循環(huán)作用下2A12鋁合金進行了研究，得到了材料的變形行為與循環(huán)周次有關的結論。LAKHDAR T ，ZHOU Feng和MASAYUKI K等[2-4]研究了不同加載方式下304L和316L不銹鋼的循環(huán)加載曲線，發(fā)現(xiàn)304L和316L不銹鋼存在循環(huán)硬化現(xiàn)象。鄭松林和程悅蓀等[5]對中碳調質鋼在低幅交變載荷作用下屈服強度增長規(guī)律進行了分析，得到了屈服強度與交變載荷大小和循環(huán)周次之間的關系。錢立和和劉帥等[6]研究了轍叉用高錳鋼的循環(huán)變形與硬化現(xiàn)象，得到隨著應變幅增大，轍叉鋼循環(huán)硬化速率越快的結論。張慶玲和金淼等[7]研究了Q235材料的特性，得出了在小變形條件下Q235存在循環(huán)硬化現(xiàn)象和包申格效應的結論。石寶東和彭艷等[8]對AZ31鎂合金各向異性力學性能進行了研究，得到軋制鎂合金板材具有明顯的各向異性力學性能和拉壓不對稱性的結論。施剛和王飛等[9]對Q460D進行了循環(huán)加載試驗，得到了不同加載條件下Q460D的應力應變關系。吳旗和陳以一等[10]研究了Q460C在大應變條件下的循環(huán)加載試驗，得到了鋼材在大應變情況下的應力應變關系和滯回環(huán)特征。羅云蓉和王清遠等[11]采用橫向應變控制方法，得到了循環(huán)應力響應特征曲線。王建青和張兵等[12]對富鋯鋯鈦二元合金力學性能進行研究，得到鋯含量在70%～80%的合金表現(xiàn)出良好力學性能的結論。劉迪輝和莊京彪等[13]研究了金屬薄板包申格效應，解釋了試驗中出現(xiàn)反向屈服應力減小和永久軟化現(xiàn)象的原因。劉大海和孟維金等[14]對DP780高強鋼板材進行了研究，得到了不同應變速率下的應力應變曲線。祝世強和楊微等[15]對TA15進行了研究，獲得了在不同溫度和應變速率下的應力應變曲線。雖然上述諸多學者已經(jīng)對多種材料在不同循環(huán)加載條件下的力學性能進行了大量研究，但是鮮有學者對鑄鋼材料進行相關研究。

ZG270-500材料是許多大型設備機架的常用材料，如液壓機的橫梁等。本文通過不同應變控制下的循環(huán)加載試驗，對應變控制下ZG270-500材料的循環(huán)變形特征進行了系統(tǒng)研究，深入了解此材料的循環(huán)特性，從而為研究其本構描述提供基礎數(shù)據(jù)。

1 試樣制取與試驗設備

本次試驗的材料為ZG270-500，主要化學成分如表1所示，鑄坯尺寸400 mm×400 mm×180 mm，熱加工工藝曲線如圖1所示。

表1 ZG270-500鋼材化學成分

Tab.1 Chemical composition of ZG270-500 steel %

圖1 熱加工工藝曲線

Fig.1 Heat treatment process curve

依據(jù)相關國家標準設計并加工單向拉伸和循環(huán)加載試樣，其形狀與尺寸如圖2所示。

在室溫下進行了應變控制條件下的單向拉伸和循環(huán)加載試驗，試驗均在最大載荷為100 kN，加載精度為200 N的電液伺服疲勞試驗機(Instron8801)上進行。單向拉伸試驗和循環(huán)加載試驗均采用精度為0.1 μm，標距分別為25 mm 和12.5 mm的動態(tài)引伸計來測量軸向應變。

圖2 試樣尺寸圖

Fig.2 Drawing of specimen size

2 單向拉伸材料性能研究

通過單向拉伸試驗，獲得了ZG270-500單向拉伸時的應力應變曲線，應力應變曲線如圖3所示，同時也得到材料的彈性模量、屈服應力和抗拉強度等基本力學性能參數(shù)，參數(shù)見表2。

圖3 單向拉伸應力應變曲線

Fig.3 Uniaxial tensile stress-strain curve

表2 單向拉伸試驗結果

Tab.2 Results of uniaxial tensile test

應變速率/s-1彈性模量/GPa屈服應力/MPa抗拉強度/MPa斷后伸長率/%斷面收縮率/%0.2%180.13270.65608.7521.7424.82

由圖3可知，ZG270-500在單向拉伸過程中雖然沒有明顯的屈服平臺，但在屈服點之后出現(xiàn)了一段塑性模量較小，相對平緩的類平臺區(qū)，類平臺區(qū)的應變區(qū)間為0.27%～0.61%。試驗測得，ZG270-500的屈服極限約為270.65 MPa，對應的應變?yōu)?.27%；強度極限約為608.75 MPa，對應的應變?yōu)?5.5%。材料具有較高的伸長率和斷面收縮率，表明其具有良好的塑性。

根據(jù)試驗所得的數(shù)據(jù)，可以得到ZG270-500在單向拉伸塑性段(類平臺區(qū)之后)力學模型表達式為

σ=900ε0.2，

(1)

其中，ε為總應變，總應變范圍為0.61%～15.5%。

3 循環(huán)加載材料性能研究

依據(jù)單向拉伸試驗獲得的材料性能參數(shù)，設計對稱應變控制的循環(huán)加載試驗。設定應變載荷值大于材料屈服時對應的應變，共進行了6組加載試驗，每組試驗均測試3次，取平均值作為測試結果，試驗方案中YB-01～YB-04為單級對稱應變循環(huán)加載試驗，YB-05和YB-06分別為應變幅值遞減和應變幅值遞增的多級對稱應變循環(huán)加載試驗，加載波形采用三角波，試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

Tab.3 Testing program

試驗名稱應變加載制度加載速率/s-1循環(huán)周次N/CYB-010.3%0.2%200YB-020.4%0.2%200YB-030.6%0.2%200YB-040.8%0.2%200YB-050.6%→0.4%→0.3%0.2%200/100/100YB-060.3%→0.4%→0.6%0.2%200/100/100

3.1 單級對稱應變循環(huán)加載條件下材料性能研究

試驗方案中YB-01～YB-03所施加的應變載荷均在類平臺區(qū)，YB-04所施加載荷大于類平臺區(qū)結束時的應變值，其對應的應力應變滯回曲線如圖4所示。由圖4可知，材料在循環(huán)第一周加載段與單向拉伸曲線形態(tài)基本一致，類平臺區(qū)只出現(xiàn)在第一個循環(huán)周次的正向拉伸段，且第一周的應力值明顯低于其他循環(huán)周次，即表示材料發(fā)生了循環(huán)硬化行為，并且循環(huán)硬化行為較明顯。

圖4 對稱應變幅值0.8%作用下應力應變曲線

Fig.4 Stress strain curve under the action of symmetrical strain amplitude 0.8%

圖5描述了響應應力幅值隨循環(huán)周次的變化規(guī)律，可以看出，四組試驗均發(fā)生了循環(huán)硬化現(xiàn)象。將每個循環(huán)周次下的應力增長量稱為材料的循環(huán)硬化速率。在初始10周內循環(huán)硬化現(xiàn)象非常明顯，但循環(huán)硬化速率在不斷降低，大約在經(jīng)歷50個循環(huán)后，循環(huán)硬化速率逐漸穩(wěn)定于一個常數(shù)值。循環(huán)硬化速率與加載應變幅值的關系曲線如圖6所示，可以認為兩者之間具有良好的線性度。

圖5 響應應力幅值與循環(huán)周次曲線

Fig.5 Response stress amplitude and cycle curve

由以上分析可知，ZG270-500在小變形載荷作用下的循環(huán)硬化行為與外加應變載荷大小及循環(huán)周次有關，應變幅值越大，循環(huán)硬化行為越顯著。循環(huán)硬化程度越高，意味著材料的動態(tài)承載能力越強。對于承受對稱小應變量循環(huán)載荷的設備本體結構，這一特性可以一定程度上提高材料的許用強度極限。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到ZG270-500鋼對稱應變控制下響應應力幅值的表達式為

σ= [2 300εexp(N/14)+σNi]H(50-Ni)+

6(εN-σNi),

(2)

其中，ε為應變載荷值，N為循環(huán)周次，Ni為循環(huán)硬化速率穩(wěn)定起始周次，這里取Ni=50；H(x)為Heaviside函數(shù)，當x≥0時，H(x)=1；當x<0時，H(x)=0。

圖6 循環(huán)硬化速率與加載應變幅值的關系曲線

Fig.6 Relationship between cycle hardening rate and load strain amplitude

3.2 多級對稱應變循環(huán)加載條件下材料性能研究

圖7給出了兩組試驗中響應應力幅值隨循環(huán)周次的變化曲線。從圖中可以看出，未經(jīng)歷應變循環(huán)歷史的響應應力幅值隨循環(huán)周次的增加而增大，表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象；經(jīng)歷先前較小的應變歷史，后續(xù)加載應變逐級增加會使材料繼續(xù)產(chǎn)生循環(huán)硬化，而經(jīng)歷先前較大應變歷史，后續(xù)加載應變逐級減小會使其響應應力幅值減小材料呈現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。但比較經(jīng)歷了先前大應變歷史以后，后續(xù)0.6%和0.4%循環(huán)時的響應應力幅值比未經(jīng)歷應變歷史或經(jīng)歷較小應變歷史條件下的相應的響應應力幅值有所增加。因此，對于受多級循環(huán)載荷作用的設備本體結構來說，在使用時可以通過先施加相對較大的載荷，然后再按要求施加工作載荷，人為提高其承載能力，以此來保護設備。

在應變載荷變化的初始50個循環(huán)周次內，ZG270-500的循環(huán)硬化和軟化速率都較大，在50周以后逐漸穩(wěn)定于非零的常值。循環(huán)硬化速率穩(wěn)定值和循環(huán)軟化速率穩(wěn)定值如表4所示。

圖7 響應應力幅值與循環(huán)周次曲線

Fig.7 Response stress amplitude and cycle curve

表4 循環(huán)硬化速率和循環(huán)軟化速率穩(wěn)定值

Tab.4 Stable values of cyclic hardening rate and cyclic softening rateMPa/C

應變幅值/%無加載歷史應變幅值逐級減小應變幅值逐級增大0.30.008 9-0.001 10.008 90.40.021-0.002 40.0310.60.0300.0300.042

分析表4中數(shù)據(jù)可以看出，在多級應變循環(huán)加載試驗中，較大的應變幅值加載歷史改變了后續(xù)較小應變幅值下材料的循環(huán)硬化行為；在應變幅值逐級增大的試驗中，有加載歷史的比相同應變幅無加載歷史的循環(huán)硬化速率的穩(wěn)定值有明顯的增大，前期較小的應變幅值加載歷史對后期較大應變幅值下的循環(huán)硬化速率穩(wěn)定值具有提升作用。

3.3 對稱應變下材料包申格效應研究

金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量的塑性變形后，卸載再同向加載，規(guī)定殘余應力增加；反向加載，規(guī)定殘余應力降低的現(xiàn)象，稱為材料的包申格效應[16]。引入包申格應力參數(shù)對包申格效應的大小進行表征[17]，其表達式為

(3)

其中，σs,i是表示第i個加載分支時對應的屈服應力。當B>0時，材料表現(xiàn)出包申格效應；并且B越大，材料的包申格效應越明顯。

各循環(huán)周次內的屈服應力均取σ0.2時對應的應力值，如圖8所示。并依據(jù)式3計算出ZG270-500在不同拉壓條件下的包申格系數(shù)。不同應變下ZG270-500鋼材的包申格系數(shù)如表5所示。

圖8 循環(huán)應力應變曲線示意圖

Fig.8 Schematic diagram of cyclic stress-strain curve

表5 ZG270-500鋼棒材在不同應變幅值下的包申格系數(shù)

Tab.5 Bauschinger coefficient of ZG270-500 steel bar under different strain amplitude conditions

應變幅值/%第一次拉壓變載第一次壓拉變載0.40.520.050.60.210.030.80.020.007

由表5可以得出，ZG270-500鋼在所有應變幅值情況下B>0，即材料表現(xiàn)出包申格效應。在同一應變幅值下加載時的包申格系數(shù)均大于反載時的包申格系數(shù)，即加載時的包申格效應大于反載時的包申格效應。應變幅值越大，加載和反載的過程中包申格系數(shù)逐漸減小即包申格效應越不明顯。

4 結論

通過對ZG270-500進行小應變控制下的循環(huán)加載試驗，在試驗條件范圍內，得出以下結論：

1)在室溫下的單向拉伸試驗中，ZG270-500鋼出現(xiàn)類平臺區(qū)，平臺區(qū)應變范圍0.27%～0.61%。

2)ZG270-500表現(xiàn)出較明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象，循環(huán)硬化速率與加載應變幅值呈現(xiàn)良好的線性關系。

3)在多級應變循環(huán)加載時，前期較大的應變加載歷史可以提高后期較小應變載荷下的響應應力幅值，即提高了后續(xù)的承載能力，對工作在此類條件下的設備使用具有指導意義。

4)在小變形量對稱應變控制的循環(huán)加載情況下，ZG270-500表現(xiàn)出包申格效應，且隨應變載荷的增加而減弱。